Если воспользоваться наглядной моделью, то генотип — это как бы пустой и съежившийся детский воздушный шарик. Если мы вложим его в граненый сосуд и надуем, то шарик, который по «генотипической тенденции» должен был бы округлиться, приспособит свою форму к форме сосуда. Существенным свойством органического развития является его пластичность, обязанная своим происхождением «регуляционным буферам», которые служат как бы «амортизирующей прокладкой» между генотипическими инструкциями и требованиями среды. Попросту говоря, организм может жить в условиях даже не очень благоприятных, то есть таких, которые выходят за стандартные рамки генотипической программы. Равнинное растение может вырасти и в горах, но формой оно уподобится горным растениям; иначе говоря, фенотип его изменится, а генотип нет, ибо если перенести его зерна на равнину, то из них опять появятся растения первоначальной формы.
Как происходит эволюционный кругооборот информации? Он осуществляется циклически; система эта состоит из двух каналов. Источником информации, передаваемой по первому каналу, являются зрелые особи во время акта размножения. Но поскольку не все они могут размножаться в равной мере и преимуществом пользуются особи, приспособленные наилучшим образом, то эти их приспособительные черты, в том числе и фенотипические, принимают участие в «конкурсе передатчиков». Поэтому источником такой информации мы считаем в итоге не сами размножающиеся организмы, а весь их биогеоценоз, то есть эти организмы вместе с их средой (и другими живущими в ней организмами, потому что и к их наличию нужно приспосабливаться). В конечном счете информация идет от биогеоценоза, через развитие плода, к последующему поколению взрослых особей. Это эмбриогенетический канал, передающий генотипическую информацию. По другому — обратному — каналу течет информация от зрелых особей к биогеоценозу; но это уже информация фенотипическая, поскольку она передается «на уровне» целых особей, а не «на уровне» зародышевых клеток. Фенотипическая информация — это попросту вся жизнедеятельность организмов (то, чем они питаются, как питаются, как приспосабливаются к биогеоценозу, как изменяют его своим существованием, как происходит естественный отбор и т.д.).[29]
Итак, по первому каналу идет информация, закодированная в хромосомах, на молекулярном уровне, а по обратному каналу передается макроскопическая, фенотипическая информация, проявляющаяся в адаптации, в борьбе за существование и в половом отборе. Фенотип (зрелая особь) всегда содержит больше информации, чем генотип, потому что влияние среды представляет собой информацию внешнего происхождения. Коль скоро кругооборот информации совершается не на одном уровне, она должна подвергаться где‑то преобразованию, которое «переводит» один ее «код» в другой. Это происходит в процессе эмбриогенеза: такой процесс как раз является «переводом» с молекулярного языка на язык организма. Так микроинформация превращается в макроинформацию.
В вышеописанном кругообороте не происходит никаких генотипических изменений — следовательно, нет и эволюции. Эволюция возникает благодаря спонтанно происходящим «ляпсусам» в генотипической передаче. Гены мутируют не направленно, а вслепую и лотерейно. Только селекция среды отбирает, то есть закрепляет в последующих поколениях, те мутации, которые увеличивают приспособленность к среде — шансы на выживание. Антиэнтропийное (то есть накапливающее порядок) действие селекции можно имитировать на цифровой машине. Ввиду отсутствия таковой сыграем в «эволюционную игру».
Разделим большую компанию детей на численно одинаковые группы. Пусть первая группа представляет собой первое поколение организмов. «Эволюция» начинается в тот момент, когда каждому ребенку этой группы мы вручаем его «генотип». Это пакетик, в котором находится пелерина из фольги, а также инструкция. Если стремиться к педантизму, то можно сказать, что пелерина соответствует материалу яйцеклетки (плазма), а инструкция — хромосомам ядра. Из инструкции «организм» узнает, «как ему надлежит развиваться». «Развитие» состоит в том, что он должен надеть пелерину и пробежать через коридор, в котором открыто боковое окно. За окном стоит стрелок с пугачом, заряженным горохом. Тот, в кого попала горошина, «гибнет в борьбе за существование», а значит, не может «размножиться». Тот, кто пробежит невредимым, снова вкладывает пелерину и инструкцию в пакет и эту «генотипическую инструкцию» передает представителю «следующего поколения». У пелерин разные оттенки серого цвета, от очень светлых до почти черных, а стены коридора темно‑серые. Стрелку тем легче попасть в бегущего, чем заметнее силуэт последнего выделяется на фоне стены. Наибольшие шансы «выжить в борьбе за существование» имеют те, у кого пелерина по оттенку похожа на стены коридора. Таким образом, среда действует как фильтр, отсеивая тех, кто к ней хуже приспособлен. Развивается «мимикрия», то есть уподобление цвету окружающей среды. Вместе с тем уменьшается первоначальный широкий разброс индивидуальных расцветок.
Однако не всеми шансами на выживание бегущий обязан «генотипу», то есть цвету пелерины. Наблюдая за своими предшественниками или просто ориентируясь по обстановке, он понимает, что определенный способ поведения (быстрый бег, бег согнувшись и т.п.) также мешает стрелку попасть, а тем самым увеличивает шансы «выжить». Таким образом, индивидуум приобретает благодаря среде негенотипическую информацию, которой не было в инструкции. Это — фенотипическая информация. Она является его личным приобретением. Но фенотипическая информация не наследуется, ибо «следующему поколению» передается только «зародышевая клетка», то есть пакет с пелериной и инструкцией. Как мы видим из этого, свойства, приобретенные в индивидуальном развитии, не наследуются. После некоторого числа «пробегов» через «среду» «выживают» только те, генотип и фенотип которых (цвет пелерины и образ действий) дают наибольшие шансы на спасение. Группа, вначале разнородная, уравнивается. Выживают только самые быстрые, самые ловкие и одетые в пелерины защитного цвета. Однако каждое следующее «поколение» получает только генотипическую информацию; фенотипическую ему приходится добывать собственными силами.
Пускай теперь вследствие производственного брака среди пелерин появляются пятнистые. Это влияние «шума» играет роль генотипической мутации. Пятнистые пелерины четко выделяются на фоне стен, поэтому «мутанты» имеют очень мало шансов на «выживание». В результате их очень быстро «уничтожает» стрелок с пугачом, которого можно толковать как «хищника». Но если мы оклеим стены коридора пятнистыми обоями (изменение среды), ситуация внезапно изменится: теперь выживать будут только мутанты, и эта новая наследственная информация вскоре вытеснит прежнюю из всей популяции.
Процесс надевания пелерины и прочтения инструкции является, как мы уже говорили, эквивалентом эмбриогенеза, во время которого по мере формирования организма развиваются и его функции. Вся эта совокупность действий означает передачу генотипической информации в эмбриогенезе по первому информационному каналу (от биогеоценоза к зрелым особям). Обучиться наилучшему способу пробегать сквозь среду — это значит приобрести фенотипическую информацию. Каждый, кто благополучно миновал критическую точку, несет уже два вида информации: наследуемую, генотипическую, и ненаследуемую, фенотипическую. Эта последняя навсегда исчезает с эволюционной сцены вместе со своим носителем. А генотипическая информация, которая прошла через «фильтр», передается «из рук в руки»; это ее обратная передача (по второму каналу).
Таким образом, и в нашей модели информация идет от биогеоценоза к зрелым особям на «микроскопическом» уровне (открывание полученного пакета, ознакомление с инструкцией и т.д.), а от организмов обратно к биогеоценозу — на макроскопическом уровне (поскольку сам по себе пакет, то есть генотип, не пройдет сквозь среду; пройти должна вся особь , являющаяся его «носителем»). Биогеоценоз в этой игре — весь коридор вместе с бегущими детьми (среда, в которой обитает популяция).
Некоторые биологи, например Шмальгаузен, полагают, что кругооборот информации действительно происходит указанным образом, но что зрелый организм содержит ее не больше, чем содержал генотип, — иначе говоря, рост информации, вызванный игрою связей между особью и средой, является только кажущимся и возникает как результат действия регуляционных механизмов, которые организм создал на основе генотипической информации. Пластичность этих реакций создает иллюзию, будто произошло реальное увеличение содержащейся в организме информации.
Так вот, если речь идет именно о генотипической информации, то она принципиально не изменяется, пока нет мутаций. Зато фенотипическая информация больше генотипической; всякое иное утверждение противоречит теории информации, а не биологическим теориям. Это следует различать. Если установлено множество соотнесения, то количество информации определяется развитием явления, и нельзя произвольно изымать некую ее часть как «кажущуюся информацию». Возникает ли она благодаря действию регуляторов или иным образом — это не имеет значения до тех пор, пока мы интересуемся ее количеством в определенном материальном объекте (каковым является организм) по отношению к данному множеству соотнесения.
Это не академический спор; дело это имеет для нас первостепенное значение. По концепции, о которой шла речь выше, получается, что «шум» среды может только обеднить фенотипическую информацию (именно это и утверждает Шмальгаузен). Между тем «шум» может быть источником информации. Ведь и мутации представляют собой такой «шум». Как известно, количество информации зависит от степени ее правдоподобия. Фраза «бор — это химический элемент» содержит определенное количество информации. А если муха случайно оставит черный след за буквой «о» в слове «бор» и фраза примет вид «бар — это химический элемент», то, с одной стороны, получатся помехи в информационной передаче вследствие «шума», то есть уменьшение информации, а с другой, одновременно — увеличение информации, ибо вторая фраза намного менее правдоподобна, чем первоначальная!
Дело в том, что здесь происходит одновременное увеличение селективной информации и уменьшение структурной информации. Первая относится к множеству возможных фраз (типа «X — это химический элемент»), а вторая — к множеству реальных ситуаций, отражением которых являются фразы. Множество фраз, отражающих реальные ситуации, слагается в данном случае из таких, как «азот — это химический элемент… кислород — это химический элемент…» и так далее. Это множество содержит столько фраз, сколько в действительности существует элементов, то есть около ста. Поэтому, если нам ничего не известно, кроме того, из какого множества будет взята полученная фраза, вероятность появления определенной фразы составляет одну сотую.
Второе множество содержит все слова данного языка, которые можно подставить во фразу «X — это химический элемент» («зонтик — это химический элемент… нога — это химический элемент…» и т.п.). Оно включает, следовательно, столько фраз, сколько слов имеется в языке, то есть несколько десятков тысяч. Информация обратно пропорциональна вероятности, следовательно, каждая из таких фраз в тысячи раз менее правдоподобна, то есть содержит соответственно больше информации (не в тысячи раз, поскольку информация выражается через логарифм, но в данном случае это не имеет принципиального значения).
Как следует из этого, понятием информации надо пользоваться осторожно. Ведь аналогично этому и мутации можно рассматривать как уменьшение информации (структурной) и как увеличение информации (селективной). Как именно будет она «рассматриваться», зависит от биогеоценотической среды. В нормальных условиях она представляет собой уменьшение структурной информации, относящейся к реальному миру, и поэтому, несмотря на рост селективной информации, организм будет уничтожен как хуже приспособленный. Но если условия изменятся, та же мутационная информация вызовет одновременно рост как селективной, так и структурной информации.
Следует добавить, что «шум» может быть источником информации только в очень специфических условиях: когда эта информация является элементом множества, все элементы которого характеризуются высокой степенью организации (сложности). Превращение слова «бор» в «бар» вследствие «шума» представляет собой переход от одного вида организации к другому, тогда как превращение слова «бор» в чернильную кляксу означает уничтожение всякой организации вообще. Мутация тоже является превращением одного вида организации в другой, разве что речь идет о летальной генетической мутации, которая в ходе развития убивает весь организм.
Фраза может быть истинной или ложной, а генотипическая информация может быть приспособительной или неприспособительной. В обоих случаях — это критерий структурный. А в смысле селективной информации фраза может быть только более или менее правдоподобной, в зависимости от множества, из которого мы ее выбираем. Точно так же и мутация в качестве селективной информации может быть более или менее вероятной (и, следовательно, содержать этой информации меньше или больше).
Фенотипическая информация, как правило, структурна, поскольку она появляется в результате воздействия среды, на которое организм отвечает адаптивными реакциями. Поэтому к структурной генотипической информации можно добавить структурную фенотипическую информацию внешнего происхождения, и тогда мы получим всю сумму структурной информации, которую содержит взрослая особь. Разумеется, это не имеет ничего общего с проблемой наследственности: наследуется только генотипическая информация.
Подведение информационного баланса в биологической практике весьма затруднительно, поскольку провести четкую грань между генотипическим и фенотипическим можно лишь в теории — именно поэтому и существуют регуляционные механизмы. Если бы на делящуюся яйцеклетку вообще не оказывали действия никакие внешние влияния, то ее развитие можно было бы назвать «дедуктивным», в том смысле, что генотипическая информация подвергается таким преобразованиям, которые не дают никакого выигрыша информации. Подобным образом «развивается» математическая система, первоначально состоящая из исходных положений («аксиоматического ядра») и правил преобразований. То и другое вместе можно назвать «генотипом математической системы». Однако развитие плода в такой изоляции невозможно, ибо на яйцеклетку всегда что‑нибудь да влияет — хотя бы сила тяжести. Известно, какое формирующее воздействие оказывает последняя, например, на развитие растений.
В заключение, прежде чем приступить, наконец, как следует к проектированию «автогностической» или «кибергностической» машины, добавим, что существуют различные типы регуляции. Есть непрерывные регуляторы, которые постоянно следят за значениями контролируемых параметров, и есть дискретные регуляторы (регуляция погрешностей), которые включаются лишь тогда, когда контролируемые параметры выходят за пределы определенных критических значений. Организм применяет оба вида регуляции. Например, температура регулируется в основном непрерывно, а уровень сахара в крови — дискретно. Мозг тоже можно рассматривать как регулятор, использующий оба метода. Но эти вопросы так превосходно обрисовал У. Росс Эшби в своей «Конструкции мозга» («Design for а brain»)[30], что нет необходимости это повторять.
Индивидуальное развитие — это сопоставление двух видов информации, внешней и внутренней. Так возникает фенотип организма. Организм «работает», однако, и на себя и на эволюцию, то есть он должен существовать сам и в то же время поддерживать существование вида. На информационной ферме «устройства» должны служить нам . Поэтому закон биоэволюции, гласящий, что выживают наиболее приспособленные к среде, мы должны на нашей ферме заменить законом: «Выживает то, что наиболее точно выражает среду ».
Мы знаем уже, что означает «выражение среды». Это накопление структурной, а не селективной информации. Быть может, наши повторения столь же излишни, сколь и утомительны, но скажем это еще раз. Инженер‑связист исследует вероятность поступления информации таким образом, что для него в стобуквенной фразе содержится одинаковое количество информации независимо от того, взята эта фраза из газеты или из теории Эйнштейна. Такой аспект наиболее важен при передаче информации. Однако о количестве информации можно говорить и в том смысле, что фраза описывает (отображает) некую более или менее вероятную ситуацию. Тогда информационное содержание фразы зависит не от вероятности появления тех или иных букв в данном языке и не от их общего количества, а только от степени вероятности самой ситуации.
Отношение фразы к реальному миру не имеет значения для ее передачи по каналу связи, но становится решающим при оценке информации, содержащейся, например, в научном законе. Мы займемся «выращиванием» только информации этого второго рода, которая называется структурной.
«Обычные» химические молекулы не выражают ничего или «выражают только себя», что одно и то же. Нам нужны такие молекулы, которые были бы и собой и одновременно отображением чего‑то вне себя (моделью). Это вполне возможно, так как, например, определенное место в хромосоме «выражает само себя», то есть является частью дезоксирибонуклеиновой кислоты, но, кроме того, «выражает» тот факт, что организм, возникший из этой хромосомы, будет иметь, допустим, голубые глаза. Правда, «выражает» оно этот факт лишь как элемент целостной организации генотипа.
Как же следует теперь понимать «отображение среды» гипотетическими «организмами‑теориями»? Среда, которую исследует наука, — это все существующее, то есть весь мир, но не все сразу. Сбор информации состоит в том, что в этом мире избираются определенные системы и исследуется их поведение. Некоторые явления — звезды, растения, люди — таковы, что сами напрашиваются в качестве систем; другие (туча, молния) лишь с виду обладают подобной автономией, относительной независимостью от окружения.
Признаемся теперь, что нашу «информационную эволюцию» мы начнем отнюдь не на пустом месте; иначе говоря, мы не собираемся создавать нечто такое, что сначала должно будет «само» достичь уровня человеческого познания и лишь потом идти дальше. Я не знаю, так ли уж это невозможно; вероятно, нет; но, во всяком случае, такая эволюция «от нуля» потребовала бы массу времени (может, даже не меньшую, чем биологическая эволюция). Но это ведь совершенно не нужно. Мы сразу воспользуемся нашими сведениями, в том числе и относящимися к выделению классов (мы знаем, что является системой, достойной изучения, а что нет). Будем рассчитывать на то, что некоторое время мы, возможно, не добьемся феноменальных открытий, что они придут позднее, когда наша «ферма» окрепнет. К решению будем идти методом последовательных приближений.
«Ферму» можно запроектировать различным образом. Как бы предварительной моделью для нее является куча речного гравия в качестве «генератора разнородности», а также «селектор» — избирательное устройство, особо чувствительное к «регулярности». Если селектор представляет собой ряд перегородок с круглыми отверстиями, то на «выходе» мы получим только круглые голыши, потому что другие через «фильтр» не пройдут. Мы получим определенный порядок из беспорядка (из галечного «шума»), но округлые камешки ничего, кроме самих себя, не представляют. А информация — это представление. Поэтому селектор ориентироваться на «свойство в себе» не может; он может ориентироваться только на что‑то, находящееся вне его. А значит, он должен быть подключен, с одной стороны, как фильтр к генератору «шума», а с другой — к некоему участку внешнего мира.
На концепции «генератора разнородности» основана идея У. Росса Эшби о создании «усилителя мыслительных способностей». Эшби заявляет, что любые научные законы, математические формулы и т.п. могут генерироваться устройством, которое действует совершенно хаотически. Так, например, мотылек, трепеща крыльями над цветком, может совершенно случайно передать бином Ньютона. Более того, таких диковинных случайностей вовсе не придется выжидать. Поскольку любую ограниченную информацию, а значит и бином Ньютона, можно передать в двоичном коде с помощью нескольких десятков символов, то в каждом кубическом сантиметре воздуха его молекулы в процессе своего хаотического движения передают эту формулу несколько сот тысяч раз в секунду . В действительности так и происходит; Эшби делает нужную прикидку. Отсюда уже прямой вывод, что в воздухе моей комнаты, пока я это пишу, носятся конфигурации молекул, выражающие на языке двоичного кода бесчисленное множество других ценнейших формул, в том числе и формулировки по затронутому мной вопросу, но гораздо более ясные и точные, чем мои. А что уж говорить об атмосфере всей Земли! В ней возникают на доли секунды и тотчас распадаются гениальные истины науки пятитысячного года, стихи и пьесы Шекспиров, которым лишь предстоит родиться, тайны иных космических систем и бог знает что еще.
Что же из этого следует? К сожалению, ничего, поскольку все эти «ценные» результаты миллиардов атомных столкновений перемешаны с биллионами других, совершенно бессмысленных. Эшби говорил, что новые идеи сами по себе — ничто, коль скоро их можно создавать пудами и гектарами при помощи таких «шумовых», таких случайных процессов, как столкновения атомов газа, а что все решает отбор, селекция. Эшби стремится таким путем доказать, что возможно создать «усилитель мыслительных способностей» как селектор идей, которые поставляет любой шумовой процесс. Наш подход иной; я привел суждения Эшби, желая показать, что к целям сходным (хотя и не одинаковым — «усилитель» есть нечто отличное от «фермы») можно идти противоположными путями. Эшби полагает, что нужно исходить из наибольшей разнородности и постепенно «фильтровать» ее. Мы, напротив, стремимся начать с разнородности хоть и большой, но не огромной — такой, которую демонстрирует материальный самоорганизующийся процесс (например, оплодотворенная яйцеклетка), и добиться того, чтобы этот процесс «развился» в научную теорию. Может быть, его сложность при этом возрастет, а может, и уменьшится; это для нас не самое важное.
Заметим, что в определенном смысле «генератор разнородности», постулированный Эшби, уже существует. Можно сказать, что математика неустанно создает бесчисленные «пустые» структуры, а физики и другие ученые, непрерывно обшаривая этот склад разнородности (то есть различные формальные системы), время от времени находят там что‑нибудь практически применимое, «подходящее» для определенных материальных явлений. Булева алгебра появилась раньше, чем какие‑либо сведения о кибернетике; потом оказалось, что мозг тоже пользуется элементами этой алгебры, и на ее принципах основана сейчас работа цифровых машин. Кэли изобрел матричное исчисление за несколько десятилетий до того, как Гейзенберг заметил, что его можно применить в квантовой механике. Адамар рассказывает о некой формальной «пустой» системе, которой он занимался как математик и не помышлял, что она может иметь что‑либо общее с действительностью, и которая впоследствии пригодилась ему в эмпирических исследованиях. Таким образом, математики воплощают генератор разнородности, а эмпирики — селектор, постулированный Эшби.
